ES2939968T3 - Method for preparing lithium titanate spinel nanoparticles - Google Patents
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Abstract
La invención proporciona un método para preparar partículas que contienen litio adecuadas para usar en un electrodo de una batería, el método incluye formar una mezcla que comprende partículas precursoras de dióxido de titanio y una solución acuosa de un compuesto de litio; y calentar la mezcla a temperatura elevada en un recipiente a presión sellado para formar partículas de dióxido de titanio con inserción de litio, en el que al menos una característica de tamaño de partícula seleccionada entre tamaño de partícula primaria promedio, distribución de tamaño de partícula, tamaño de poro intrapartícula promedio, tamaño de partícula promedio entre - el tamaño de los poros de las partículas, la distribución del tamaño de los poros y la forma de las partículas de dióxido de titanio no cambian sustancialmente en dicha etapa de calentamiento. La invención incluye además una batería que incluye un primer electrodo, un segundo electrodo, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The invention provides a method for preparing lithium-containing particles suitable for use in a battery electrode, the method includes forming a mixture comprising titanium dioxide precursor particles and an aqueous solution of a lithium compound; and heating the mixture at elevated temperature in a sealed pressure vessel to form lithium-embedded titanium dioxide particles, wherein at least one particle size characteristic selected from average primary particle size, particle size distribution, average intraparticle pore size, average particle size between - the pore size of the particles, the pore size distribution and the shape of the titanium dioxide particles do not substantially change in said heating step. The invention also includes a battery that includes a first electrode, a second electrode, (Automatic translation with Google Translate, without legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Método para preparar nanopartículas de espinela de titanato de litioMethod for preparing lithium titanate spinel nanoparticles
CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF THE INVENTION
La presente invención está dirigida a partículas de dióxido de titanio intercaladas con litio y partículas de titanato de litio adaptadas para su uso en ánodos para baterías de iones de litio, así como métodos para formar dichas partículas.The present invention is directed to lithium intercalated titanium dioxide particles and lithium titanate particles adapted for use in anodes for lithium ion batteries, as well as methods of forming such particles.
ANTECEDENTESBACKGROUND
Las baterías de iones de litio son baterías recargables que dependen del movimiento de los iones de litio entre los electrodos. Tales baterías se usan comúnmente en una variedad de productos electrónicos debido a su alta densidad de energía, alta densidad de potencia y características de carga/descarga rápidas. El ánodo típicamente consiste en grafito y el cátodo típicamente consiste en un material de intercalación de litio, como LiCoO2 , los electrodos estando conectados a través de un electrolito líquido, como LiPF6 en un solvente no acuoso.Lithium ion batteries are rechargeable batteries that rely on the movement of lithium ions between electrodes. Such batteries are commonly used in a variety of electronic products due to their high energy density, high power density, and fast charge/discharge characteristics. The anode typically consists of graphite and the cathode typically consists of a lithium intercalation material, such as LiCoO 2 , the electrodes being connected via a liquid electrolyte, such as LiPF6 in a non-aqueous solvent.
Hay una necesidad en la técnica de materiales de ánodo mejorados para usar en baterías de iones de litio para reemplazar los materiales convencionales basados en carbono, como el grafito, que en algunos casos pueden sufrir ciclos de vida relativamente cortos y tiempos de carga relativamente largos. El titanato de litio que tiene una estructura cristalina de espinela (es decir, Li4Ti5O12 también conocido como LTO) se usa cada vez con mayor popularidad como materiales de ánodo en baterías de iones de litio, especialmente para aplicaciones de almacenamiento de energía y automóviles eléctricos. El titanato de litio cambia a una estructura cristalina de sal de roca a medida que se insertan iones de litio durante la carga, y vuelve a cambiar a una estructura cristalina de espinela a medida que los iones de litio se disocian. El titanato de litio experimenta muchos menos cambios en su volumen de red debido a la carga/descarga en comparación con los materiales de carbono, y genera poco calor incluso cuando está en cortocircuito con el electrodo positivo, evitando de este modo accidentes por incendio y garantizando un alto grado de seguridad. Además, el uso de titanato de litio como material de ánodo da como resultado una mayor duración de la batería (recargable durante más ciclos) y un tiempo de carga más breve (minutos frente a horas).There is a need in the art for improved anode materials for use in lithium ion batteries to replace conventional carbon-based materials, such as graphite, which in some cases can suffer from relatively short life cycles and relatively long charging times. Lithium titanate having a spinel crystal structure (ie Li4Ti5O12 also known as LTO) is increasingly used as anode materials in lithium-ion batteries, especially for electric automobile and energy storage applications. Lithium titanate changes to a rock salt crystal structure as lithium ions are inserted during charging, and changes back to a spinel crystal structure as lithium ions dissociate. Lithium titanate experiences much less change in its lattice volume due to charge/discharge compared to carbon materials, and generates little heat even when shorted to the positive electrode, thus avoiding fire accidents and ensuring a high degree of security. Additionally, the use of lithium titanate as the anode material results in longer battery life (rechargeable for more cycles) and shorter charge time (minutes vs. hours).
Es muy deseable que el titanato de litio tenga una estructura de espinela cúbica con un alto ordenamiento cristalino y pureza de fase para producir un alto nivel de rendimiento en las baterías de iones de litio. Las espinelas de titanato de litio, al igual que otros materiales cerámicos, pueden prepararse mediante procesos de reacción en estado sólido convencionales; es decir, mezclando los componentes de óxido y calentando o cociendo la mezcla para facilitar la reacción en estado sólido. Debido a las limitaciones cinéticas de los reactivos en estado sólido, es difícil lograr una fase de alta pureza con un tamaño y una morfología de partículas uniformes. Además, el litio puede perderse durante el calentamiento o la cocción debido a la naturaleza volátil de los compuestos de litio.It is highly desirable that lithium titanate have a cubic spinel structure with high crystal ordering and phase purity to produce a high level of performance in lithium ion batteries. Lithium titanate spinels, like other ceramic materials, can be prepared by conventional solid-state reaction processes; that is, mixing the oxide components and heating or firing the mixture to facilitate the reaction in the solid state. Due to the kinetic limitations of solid state reagents, it is difficult to achieve a high purity phase with uniform particle size and morphology. Also, lithium can be lost during heating or cooking due to the volatile nature of lithium compounds.
Para superar estas limitaciones, se han propuesto técnicas de química húmeda que implican uno o más compuestos de litio o titanio disueltos o suspendidos en un solvente. Sin embargo, muchos de estos procesos tienen ciertas desventajas, como la falta de control de la reacción, reacciones no homogéneas y/o la incapacidad de controlar adecuadamente la morfología de las partículas, el tamaño de las partículas o la cristalinidad. Sigue habiendo una necesidad en la técnica de un método para formar partículas de espinela de titanato de litio de tamaño y morfología de partícula controlados para su uso en aplicaciones de baterías de iones de litio.To overcome these limitations, wet chemistry techniques involving one or more lithium or titanium compounds dissolved or suspended in a solvent have been proposed. However, many of these processes have certain disadvantages, such as lack of reaction control, inhomogeneous reactions, and/or the inability to adequately control particle morphology, particle size, or crystallinity. There remains a need in the art for a method of forming lithium titanate spinel particles of controlled particle size and morphology for use in lithium ion battery applications.
Tomiha et al., J. Mater. Sci., 37 (2002), 2341-2344 divulgan titanatos alcalinos A2TinO2n+1 (A = Li, Na, K) sintetizados por reacción hidrotérmica de polvo de titania en una solución alcalina acuosa. Se usó un polvo de titania de tamaño nanométrico de 7 nm de diámetro como material de partida para progresar en la reacción hidrotérmica a 100° C.Tomiha et al., J. Mater. Sci., 37 (2002), 2341-2344 disclose alkaline titanates A2TinO2n+1 (A=Li, Na, K) synthesized by hydrothermal reaction of titania powder in an aqueous alkaline solution. A nanometer-sized titania powder of 7 nm in diameter was used as a starting material to progress the hydrothermal reaction at 100°C.
La DE 10 2008 026580 A1 divulga titanato de litio dopado y no dopado Li4Ti5O12, que puede obtenerse mediante la reacción térmica de un óxido compuesto estequiométrico que contiene Li2TiO3y TiO2 , la preparación del óxido compuesto estequiométrico y un proceso para la preparación de titanato de litio Li4Ti5O12 y su uso como material anódico en baterías recargables de iones de litio.DE 10 2008 026580 A1 discloses doped and undoped lithium titanate Li4Ti5O12, obtainable by thermal reaction of a stoichiometric compound oxide containing Li 2 TiO 3 and TiO 2 , preparation of the stoichiometric compound oxide and a process for the preparation of lithium titanate Li4Ti5O12 and its use as anode material in rechargeable lithium-ion batteries.
SUMARIO DE LA INVENCIÓNSUMMARY OF THE INVENTION
La presente invención proporciona métodos para formar partículas que contienen litio adecuadas para su uso en un electrodo de una batería de iones de litio. Por ejemplo, la presente invención puede proporcionar partículas de titanato de litio de alta calidad con, ventajosamente, un tamaño de partícula pequeño (por ejemplo, rango de tamaño nanométrico), distribución de tamaño de partícula estrecha y alta cristalinidad. El uso de partículas que contienen litio preparadas de acuerdo con la invención puede dar como resultado, en ciertas realizaciones, electrodos de batería que proporcionan una mayor seguridad con respecto a explosiones e incendios, mayor duración de la batería y menor tiempo de carga en comparación con los electrodos a base den carbono.The present invention provides methods for forming lithium-containing particles suitable for use in a lithium ion battery electrode. For example, the present invention can provide high quality lithium titanate particles with advantageously small particle size (eg, nanometer size range), narrow particle size distribution, and high crystallinity. The use of lithium-containing particles prepared in accordance with the invention can result, in certain embodiments, in battery electrodes that provide greater safety with respect to explosions and fires, greater battery life and shorter charging time compared to carbon-based electrodes.
En un aspecto, la invención proporciona un método para preparar partículas que contienen litio adecuadas para su uso en un electrodo de una batería, que comprende:In one aspect, the invention provides a method for preparing lithium-containing particles suitable for use in a battery electrode, comprising:
a) formar una mezcla que comprende nanopartículas precursoras de dióxido de titanio y una solución acuosa de un compuesto de litio, en donde las partículas precursoras de dióxido de titanio consisten en más del 95% de fase anatasa;a) forming a mixture comprising titanium dioxide precursor nanoparticles and an aqueous solution of a lithium compound, wherein the titanium dioxide precursor particles consist of more than 95% anatase phase;
b) calentar la mezcla a una temperatura de por lo menos aproximadamente 80° C durante por lo menos 3 horas en un recipiente a presión sellado a presión autógena para formar nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio, en donde por lo menos una característica de tamaño de partícula seleccionada del grupo que consiste en el tamaño medio de las partículas primarias, el tamaño medio de los poros intrapartículas, el tamaño medio de los poros entre partículas de las nanopartículas de dióxido de titanio está dentro del 10 por ciento de la misma característica de las nanopartículas precursoras de dióxido de titanio; yb) heating the mixture to a temperature of at least about 80°C for at least 3 hours in a sealed pressure vessel under autogenous pressure to form lithium-inserted titanium dioxide nanoparticles, wherein at least one characteristic particle size selected from the group consisting of primary particle mean size, intraparticle mean pore size, interparticle mean pore size of the titanium dioxide nanoparticles is within 10 percent of the same characteristic of titanium dioxide precursor nanoparticles; and
c) calcinar las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio para formar nanopartículas de espinela de titanato de litio.c) calcining the lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles to form lithium titanate spinel nanoparticles.
Por lo menos uno de los tamaño medio de partícula primaria, tamaño medio de poro intrapartícula y tamaño medio de poro entre partículas de las partículas de dióxido de titanio con inserción de litio puede estar dentro de aproximadamente el 5 por ciento de la misma característica de tamaño de las partículas precursoras de dióxido de titanio. En ciertas realizaciones ventajosas, tanto las partículas precursoras de dióxido de titanio como las partículas de dióxido de titanio con inserción de litio se caracterizan por uno o más de los siguientes: un tamaño medio de partícula primaria de menos de aproximadamente 100 nm; una forma generalmente esférica; un tamaño de poro intrapartícula medio en el intervalo de mesoporo; una distribución de tamaño de partícula monodispersa; y una distribución de tamaño de poro intrapartícula monodispersa.At least one of the primary mean particle size, mean intraparticle pore size, and mean interparticle pore size of the lithium-inserted titanium dioxide particles may be within about 5 percent of the same size characteristic. of the titanium dioxide precursor particles. In certain advantageous embodiments, both the titanium dioxide precursor particles and the lithium-inserted titanium dioxide particles are characterized by one or more of the following: a mean primary particle size of less than about 100 nm; a generally spherical shape; a mean intraparticle pore size in the mesopore range; a monodisperse particle size distribution; and a monodisperse intraparticle pore size distribution.
El compuesto de litio usado en la invención puede variar, con ejemplos que incluyen hidróxido de litio, óxido de litio, cloruro de litio, carbonato de litio, acetato de litio, nitrato de litio y combinaciones de los mismos. La temperatura elevada es típicamente de por lo menos aproximadamente 80° C y la presión durante el paso de calentamiento es típicamente autógena. En ciertas realizaciones, el pH de la mezcla es mayor de aproximadamente 9. Típicamente, la presión aplicada a la mezcla durante el paso de calentamiento es de por lo menos aproximadamente 20 psig. En una realización, la cantidad de compuesto de litio en la mezcla está entre aproximadamente el 2 y aproximadamente el 20 por ciento en peso en base al peso de las partículas de dióxido de titanio.The lithium compound used in the invention can vary, with examples including lithium hydroxide, lithium oxide, lithium chloride, lithium carbonate, lithium acetate, lithium nitrate, and combinations thereof. The elevated temperature is typically at least about 80°C and the pressure during the heating step is typically autogenous. In certain embodiments, the pH of the mixture is greater than about 9. Typically, the pressure applied to the mixture during the heating step is at least about 20 psig. In one embodiment, the amount of lithium compound in the mixture is between about 2 and about 20 percent by weight based on the weight of the titanium dioxide particles.
El método incluye calcinar las partículas de dióxido de titanio con inserción de litio para formar partículas de espinela de titanato de litio (por ejemplo, un paso de calcinación que comprende calentar las partículas de dióxido de titanio con inserción de litio a una temperatura de no más de aproximadamente 650° C). En ciertas realizaciones, las partículas de espinela de titanato de litio se caracterizan por uno o más de los siguientes: un tamaño medio de partículas primarias de menos de aproximadamente 100 nm; un tamaño medio de poro intrapartícula en el intervalo de mesoporo; una distribución de tamaño de partícula monodispersa; y una distribución de tamaño de poro intrapartícula monodispersa. Ventajosamente, por lo menos uno del tamaño medio de partícula primaria, el tamaño medio de poro intrapartícula, y el tamaño medio de poro entre partículas de las partículas de espinela de titanato de lito está dentro de aproximadamente el 10 por ciento de la misma característica de tamaño de las partículas precursoras de dióxido de titanio.The method includes calcining the lithium-inserted titanium dioxide particles to form lithium titanate spinel particles (for example, a calcination step comprising heating the lithium-inserted titanium dioxide particles to a temperature of no more than of about 650°C). In certain embodiments, the lithium titanate spinel particles are characterized by one or more of the following: a mean primary particle size of less than about 100 nm; an intraparticle mean pore size in the mesopore range; a monodisperse particle size distribution; and a monodisperse intraparticle pore size distribution. Advantageously, at least one of the mean primary particle size, mean intraparticle pore size, and mean interparticle pore size of the litho titanate spinel particles is within about 10 percent of the same characteristic of Titanium dioxide precursor particle size.
En una realización adicional, la invención proporciona un método para preparar partículas que contienen litio adecuadas para su uso en un electrodo de una batería, que comprende:In a further embodiment, the invention provides a method for preparing lithium-containing particles suitable for use in a battery electrode, comprising:
a) preparar partículas precursoras de dióxido de titanio formando una solución acuosa de una sal de titanio y un ácido orgánico, e hidrolizar térmicamente la solución acuosa a una temperatura elevada, opcionalmente en presencia de un material semilla de dióxido de titanio, para producir partículas precursoras de dióxido de titanio en un licor madre;a) preparing titanium dioxide precursor particles by forming an aqueous solution of a titanium salt and an organic acid, and thermally hydrolyzing the aqueous solution at an elevated temperature, optionally in the presence of a titanium dioxide seed material, to produce precursor particles of titanium dioxide in a mother liquor;
b) separar las partículas precursoras de dióxido de titanio resultantes del licor madre;b) separating the titanium dioxide precursor particles resulting from the mother liquor;
c) opcionalmente, secar las partículas precursoras de dióxido de titanio separadas;c) optionally, drying the separated titanium dioxide precursor particles;
d) formar una mezcla que comprende las nanopartículas precursoras de dióxido de titanio y una solución acuosa de un compuesto de litio, en donde las partículas precursoras de dióxido de titanio consisten en más del 95% de fase anatasa;d) forming a mixture comprising the titanium dioxide precursor nanoparticles and an aqueous solution of a lithium compound, wherein the titanium dioxide precursor particles consist of more than 95% anatase phase;
e) calentar la mezcla a una temperatura de por lo menos aproximadamente 80° C durante por lo menos aproximadamente 3 horas en un recipiente a presión sellado a presión autógena para formar nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio, en donde por lo menos una característica de tamaño de partícula seleccionada de la grupo que consiste en tamaño medio de partícula primaria, tamaño medio de poro intrapartícula, tamaño medio de poro entre partículas de las nanopartículas de dióxido de titanio está dentro del 10 por ciento de la misma característica de las nanopartículas precursoras de dióxido de titanio; ye) heating the mixture to a temperature of at least about 80°C for at least about 3 hours in a sealed pressure vessel under autogenous pressure to form lithium-inserted titanium dioxide nanoparticles, wherein at least one Particle size characteristic selected from the group consisting of primary particle mean size, intraparticle mean pore size, interparticle mean pore size of the titanium dioxide nanoparticles is within 10 percent of the same characteristic of the nanoparticles titanium dioxide precursors; and
f) calcinar las partículas de dióxido de titanio con inserción de litio para formar nanopartículas de espinela de titanato de litio.f) calcining the titanium dioxide particles with lithium insertion to form spinel nanoparticles of lithium titanate.
En otro aspecto, la invención proporciona una batería (por ejemplo, una batería de iones de litio) que comprende un primer electrodo, un segundo electrodo y un separador que comprende un electrolito entre el primer y el segundo electrodos, en donde uno del primer y el segundo electrodos comprende partículas de espinela de titanato de litio elaboradas de acuerdo con cualquiera de los procesos indicados anteriormente.In another aspect, the invention provides a battery (for example, a lithium ion battery) comprising a first electrode, a second electrode and a separator comprising an electrolyte between the first and second electrodes, wherein one of the first and second electrodes the second electrode comprises lithium titanate spinel particles made according to any of the processes outlined above.
En otro aspecto más, se divulga una batería (por ejemplo, una batería de iones de litio) que comprende un primer electrodo, un segundo electrodo y un separador que comprende un electrolito entre el primer y el segundo electrodos, en donde uno del primer y el segundo electrodos comprende partículas de dióxido de titanio con inserción de litio. Las partículas de dióxido de titanio con inserción de litio son de acuerdo con la reivindicación 6.In yet another aspect, a battery (eg, a lithium ion battery) is disclosed comprising a first electrode, a second electrode and a separator comprising an electrolyte between the first and second electrodes, wherein one of the first and second electrodes the second electrode comprises titanium dioxide particles with lithium insert. The titanium dioxide particles with lithium insert are according to claim 6.
En un aspecto adicional más, la divulgación proporciona nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio que comprenden entre aproximadamente un 1 y aproximadamente un 12 por ciento en peso de litio, en base al peso total de las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio. De acuerdo con la invención, las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio se caracterizan por una forma generalmente esférica y una distribución de tamaño de partícula monodispersa, en donde las nanopartículas tienen un tamaño medio de partícula primaria de no más de aproximadamente 80 nm y una monodispersidad de tamaño de partícula tal que todas las partículas tienen un tamaño de partícula primaria dentro de aproximadamente el 10 por ciento del tamaño medio de partícula primaria.In a still further aspect, the disclosure provides lithium-inlaid titanium dioxide nanoparticles comprising between about 1 and about 12 weight percent lithium, based on the total weight of the lithium-inlaid titanium dioxide nanoparticles. lithium. In accordance with the invention, lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles are characterized by a generally spherical shape and a monodisperse particle size distribution, wherein the nanoparticles have a mean primary particle size of no more than about 80 nm. and a particle size monodispersity such that all particles have a primary particle size within about 10 percent of the mean primary particle size.
Además, la invención proporciona nanopartículas de espinela de titanato de litio caracterizadas por uno o más de los siguientes: un tamaño medio de poro intrapartícula en el intervalo de mesoporo; una distribución de tamaño de partícula monodispersa; y una distribución de tamaño de poro intrapartícula monodispersa. Las nanopartículas de espinela de titanato de litio tienen un tamaño medio de partícula de no más de aproximadamente 80 nm y una monodispersidad de tamaño de partícula tal que todas las partículas tienen un tamaño de partícula primaria dentro de aproximadamente el 10 por ciento del tamaño medio de partícula primaria. Tales nanopartículas de espinela de titanato de litio pueden usarse en una batería (por ejemplo, una batería de iones de litio) que comprende un primer electrodo, un segundo electrodo y un separador que comprende un electrolito entre el primer y el segundo electrodos.Furthermore, the invention provides lithium titanate spinel nanoparticles characterized by one or more of the following: an intraparticle mean pore size in the mesopore range; a monodisperse particle size distribution; and a monodisperse intraparticle pore size distribution. Lithium titanate spinel nanoparticles have a mean particle size of no more than about 80 nm and a particle size monodispersity such that all particles have a primary particle size within about 10 percent of the mean particle size. primary particle. Such lithium titanate spinel nanoparticles can be used in a battery (eg, a lithium ion battery) comprising a first electrode, a second electrode and a separator comprising an electrolyte between the first and second electrodes.
Estas y otras características, aspectos y ventajas de la divulgación serán evidentes a partir de la lectura de la siguiente descripción detallada junto con los dibujos acompañantes, que se describen brevemente a continuación. La invención incluye cualquier combinación de dos, tres, cuatro o más de las realizaciones indicadas anteriormente, así como combinaciones de dos, tres, cuatro cualquiera o más características o elementos expuestos en esta divulgación, independientemente de si tales características o elementos se combinan expresamente en una descripción de realización específica en la presente. Se pretende que esta divulgación se lea de manera holística, de tal manera que cualquier característica o elemento separable de la invención divulgada, en cualquiera de sus varios aspectos y realizaciones, debe verse como destinado a ser combinable a menos que el contexto indique claramente lo contrario.These and other features, aspects, and advantages of the disclosure will become apparent upon reading the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, which are briefly described below. The invention includes any combination of two, three, four, or more of the embodiments noted above, as well as combinations of any two, three, four, or more features or elements set forth in this disclosure, regardless of whether such features or elements are expressly combined in a specific embodiment description herein. This disclosure is intended to be read holistically, such that any separable features or elements of the disclosed invention, in any of its various aspects and embodiments, should be viewed as intended to be combinable unless the context clearly indicates otherwise. .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Habiendo descrito por tanto la invención en términos generales, se hará referencia ahora a los dibujos acompañantes, que no están necesariamente dibujados a escala, y en los que:Having therefore described the invention in general terms, reference will now be made to the accompanying drawings, which are not necessarily drawn to scale, and in which:
La FIG. 1 es una imagen SEM de nanopartículas precursoras de dióxido de titanio de acuerdo con una realización de la invención;The FIG. 1 is an SEM image of titanium dioxide precursor nanoparticles according to one embodiment of the invention;
La FIG. 2 es una imagen SEM de nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio de acuerdo con una realización de la invención;The FIG. 2 is an SEM image of lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles in accordance with one embodiment of the invention;
La FIG. 3 es una imagen SEM de nanopartículas de titanato de litio de acuerdo con una realización de la invención;The FIG. 3 is an SEM image of lithium titanate nanoparticles in accordance with one embodiment of the invention;
Las FIGS. 4A y 4B son imágenes TEM, a diferentes aumentos, de nanopartículas de titanato de litio de acuerdo con una realización de la invención;FIGS. 4A and 4B are TEM images, at different magnifications, of lithium titanate nanoparticles according to one embodiment of the invention;
La FIG. 5 es un patrón de difracción de rayos X (XRD) para nanopartículas precursoras de dióxido de titanio de acuerdo con una realización de la invención, con barras de patrón de dióxido de titanio anatasa estándar como referencia;The FIG. 5 is an X-ray diffraction (XRD) pattern for titanium dioxide precursor nanoparticles according to one embodiment of the invention, with standard anatase titanium dioxide pattern bars as reference;
La FIG. 6 es un patrón XRD para nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio de acuerdo con una realización de la invención, con barras de patrón de dióxido de titanio anatasa estándar como referencia;The FIG. 6 is an XRD pattern for lithium-inserted titanium dioxide nanoparticles according to one embodiment of the invention, with standard anatase titanium dioxide pattern bars as reference;
La FIG. 7 es un patrón XRD para nanopartículas de titanato de litio de acuerdo con una realización de la invención, con barras de patrón de espinela de titanato de litio estándar como referencia; yThe FIG. 7 is an XRD pattern for lithium titanate nanoparticles according to one embodiment of the invention, with standard lithium titanate spinel pattern bars as reference; and
La FIG. 8 es una vista esquemática de una batería de iones de litio ejemplar en la que las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio o las nanopartículas de titanato de litio de la invención podrían usarse como parte de un material de electrodo. The FIG. 8 is a schematic view of an exemplary lithium ion battery in which the lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles or lithium titanate nanoparticles of the invention could be used as part of an electrode material.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE EL INVENTODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A continuación, la invención se describirá con más detalle haciendo referencia a varias realizaciones. Estas realizaciones se proporcionan para que esta divulgación sea exhaustiva y completa, y transmita completamente el alcance de la invención a los expertos en la técnica. De hecho, la invención puede realizarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas en la presente; más bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta divulgación satisfaga los requisitos legales aplicables. En todo el documento números similares se refieren a elementos similares. Como se usa en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "uno", "el", incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.In the following, the invention will be described in more detail with reference to various embodiments. These embodiments are provided to make this disclosure exhaustive and complete, and to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. In fact, the invention can be embodied in many different ways and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein; rather, these embodiments are provided so that this disclosure will satisfy applicable legal requirements. Throughout the document like numbers refer to like elements. As used in the specification and appended claims, the singular forms "a", "an", "the", include plural referents unless the context clearly indicates otherwise.
I. Partículas precursoras de dióxido de titanioI. Titanium Dioxide Precursor Particles
Las partículas precursoras de dióxido de titanio (TiO2) usadas en la invención pueden variar y, en particular, el tamaño de partícula, la morfología de la partícula, el polimorfo cristalino, el tamaño de cristalito, el tamaño de poro y similares pueden variar en ciertas realizaciones de la invención. Las partículas precursoras pueden caracterizarse por tener una estructura cristalina de anatasa total o sustancialmente pura. Las partículas precursoras de TiO2 consisten en más del 95% de fase anatasa.The titanium dioxide (TiO 2 ) precursor particles used in the invention may vary and, in particular, the particle size, particle morphology, crystalline polymorph, crystallite size, pore size and the like may vary. in certain embodiments of the invention. The precursor particles can be characterized as having a fully or substantially pure anatase crystal structure. TiO 2 precursor particles consist of more than 95% anatase phase.
Para su uso en aplicaciones de electrodos se prefieren típicamente partículas ultrafinas que tienen una distribución de tamaño de partícula estrecha. Por consiguiente, las partículas precursoras de TiO2 usadas en la presente invención son ultrafinas o nanopartículas. Como se usa en la presente, los términos "partículas ultrafinas" o "nanopartículas" se refieren a partículas con por lo menos una dimensión menor de 100 nm. Las partículas ultrafinas usadas en la invención tendrán típicamente un tamaño medio de partícula primaria de no más de aproximadamente 100 nm, más a menudo no más de aproximadamente 80 nm y, en algunas realizaciones, no más de aproximadamente 50 nm, según se determina examinando visualmente una micrografía. de una imagen de microscopía electrónica de transmisión ("TEM") o una imagen de microscopía electrónica de barrido ("SEM"), midiendo el diámetro de las partículas en la imagen y calculando el tamaño medio de partícula primaria de las partículas medidas en base a la ampliación del TEM o imagen SEM. El tamaño de partícula primaria de una partícula se refiere a la esfera de diámetro más pequeño que encierra completamente la partícula. Los intervalos de tamaño indicados anteriormente son valores medios para partículas que tienen una distribución de tamaños.For use in electrode applications, ultrafine particles having a narrow particle size distribution are typically preferred. Therefore, the TiO 2 precursor particles used in the present invention are ultrafine or nanoparticles. As used herein, the terms "ultrafine particles" or "nanoparticles" refer to particles with at least one dimension less than 100 nm. The ultrafine particles used in the invention will typically have a mean primary particle size of no more than about 100 nm, more often no more than about 80 nm, and in some embodiments no more than about 50 nm, as determined by visual examination. a micrograph. of a transmission electron microscopy ("TEM") image or a scanning electron microscopy ("SEM") image, measuring the diameter of the particles in the image and calculating the mean primary particle size of the measured particles based on to magnification of the TEM or SEM image. The primary particle size of a particle refers to the smallest diameter sphere that completely encloses the particle. The size ranges indicated above are mean values for particles having a distribution of sizes.
En ciertas realizaciones, las partículas precursoras de TiO2 pueden caracterizarse en términos de distribución de tamaño de partícula. En ciertas realizaciones, las partículas pueden verse como monodispersas, lo que significa que la población de partículas es altamente uniforme en tamaño de partícula. Ciertas poblaciones de partículas monodispersas útiles en la presente invención pueden caracterizarse por consistir en partículas que tienen un tamaño de partícula primaria dentro del 20 por ciento del tamaño medio de partícula primaria para la población de partículas, o dentro del 15 por ciento, o dentro del 10 por ciento (es decir, todas las partículas en la población tienen un tamaño de partícula primaria dentro del intervalo porcentual dado alrededor del tamaño medio de partícula primaria). En una realización ejemplar, el tamaño medio de partícula primaria es de aproximadamente 50 nm y todas las partículas en la población tienen un tamaño de partícula primaria en el intervalo de aproximadamente 40 a aproximadamente 60 nm (es decir, dentro del 20 por ciento del tamaño medio de partícula primaria).In certain embodiments, TiO 2 precursor particles can be characterized in terms of particle size distribution. In certain embodiments, the particles can be viewed as monodisperse, meaning that the population of particles is highly uniform in particle size. Certain populations of monodisperse particles useful in the present invention may be characterized as consisting of particles having a primary particle size within 20 percent of the mean primary particle size for the population of particles, or within 15 percent, or within the 10 percent (ie, all particles in the population have a primary particle size within the given percentage range around the mean primary particle size). In an exemplary embodiment, the mean primary particle size is about 50 nm and all particles in the population have a primary particle size in the range of about 40 to about 60 nm (i.e., within 20 percent of the size). primary particle medium).
Podrían usarse otros intervalos de tamaño de partículas sin apartarse de la presente invención, como micropartículas que tienen por lo menos una dimensión inferior a 1000 ^m (por ejemplo, de aproximadamente 50 ^m a aproximadamente 1000 |jm). También es posible usar mezclas de partículas que tengan diferentes tamaños medios de partículas dentro de los intervalos indicados en la presente (por ejemplo, distribuciones de partículas bimodales).Other particle size ranges could be used without departing from the present invention, such as microparticles having at least one dimension less than 1000 µm (eg, from about 50 µm to about 1000 µm). It is also possible to use mixtures of particles having different mean particle sizes within the ranges indicated herein (eg, bimodal particle distributions).
La morfología de las partículas (es decir, la forma) de las partículas precursoras de TiO2 también puede variar sin apartarse de la invención. En ciertas realizaciones, las partículas precursoras tendrán una forma generalmente esférica. Se prefiere que las partículas precursoras muestren una morfología de partículas muy uniforme, lo que significa que hay una variación relativamente pequeña en la forma de las partículas dentro de la población de partículas.The particle morphology (ie, shape) of the TiO 2 precursor particles may also vary without departing from the invention. In certain embodiments, the precursor particles will have a generally spherical shape. It is preferred that the precursor particles show a highly uniform particle morphology, which means that there is relatively little variation in particle shape within the particle population.
Las partículas de TiO2 adecuadas para su uso en la presente invención también pueden caracterizarse por tamaños de cristalitos variables, con un intervalo de tamaño ventajoso siendo menor de aproximadamente 20 nm, como menor de aproximadamente 15 nm, o menor de aproximadamente 12 nm (por ejemplo, de aproximadamente 4 nm a aproximadamente 12 nm).TiO 2 particles suitable for use in the present invention may also be characterized by variable crystallite sizes, with an advantageous size range being less than about 20 nm, such as less than about 15 nm, or less than about 12 nm (for example, from about 4 nm to about 12 nm).
Las partículas precursoras también pueden caracterizarse por distribuciones de tamaño de poro variables, tanto en términos de poros intrapartículas como poros entre partículas, así como área superficial variable. Los tamaños de poro intrapartícula ejemplares incluyen tamaños medios de poro en el intervalo de tamaño de mesoporo, como de aproximadamente 2 nm a aproximadamente 12 nm, y los tamaños de poro entre partículas ejemplares incluyen intervalos de tamaño medio de poro de aproximadamente 15 nm a aproximadamente 80 nm. El área de superficie específica BET media ejemplar de partículas precursoras usadas en la invención incluye de aproximadamente 50 m2/g a aproximadamente 400 m2/g (por ejemplo, de aproximadamente 100 a aproximadamente 300 m2/g o de aproximadamente 120 a aproximadamente 250 m2/g). Como entenderá un experto en la técnica, el área de superficie específica BET se refiere a un área de superficie específica determinada por adsorción de nitrógeno de acuerdo con el estándar ASTMD 3663-78 en base al método Brunauer-Emmett-Teller descrito en el periódico "The Journal of the American Chemical Society", 60, 309 (1938). Las mediciones del tamaño de poro también pueden realizarse usando la metodología BET.Precursor particles can also be characterized by variable pore size distributions, both in terms of intraparticle and interparticle pores, as well as variable surface area. Exemplary intraparticle pore sizes include mean pore sizes in the mesopore size range, such as from about 2 nm to about 12 nm, and exemplary interparticle pore sizes include mean pore size ranges from about 15 nm to about 80nm. The area of Exemplary average BET surface area of precursor particles used in the invention includes from about 50 m2/g to about 400 m2/g (eg, from about 100 to about 300 m2/g or from about 120 to about 250 m2/g). As will be understood by one skilled in the art, BET specific surface area refers to a specific surface area determined by nitrogen adsorption in accordance with ASTMD 3663-78 standard based on the Brunauer-Emmett-Teller method described in the journal " The Journal of the American Chemical Society", 60, 309 (1938). Pore size measurements can also be made using the BET methodology.
En ciertas realizaciones, las partículas precursoras de TiO2 pueden caracterizarse en términos de distribución de tamaño de poro. En ciertas realizaciones, las partículas pueden verse como monodispersas en términos de tamaño de poro, lo que significa que la población de partículas es altamente uniforme en tamaño de poro. Ciertas poblaciones de partículas monodispersas útiles en la presente invención pueden caracterizarse por consistir en partículas que tienen un tamaño de poro dentro del 20 por ciento del tamaño medio de poro intrapartícula (o tamaño de poro entre partículas) para la población de partículas, o dentro del 15 por ciento, o dentro del 10 por ciento (es decir, todas las partículas en la población tienen un tamaño de poro dentro del intervalo de porcentaje dado alrededor del tamaño medio de poro). En una realización ejemplar, el tamaño de poro intrapartícula promedio es de aproximadamente 10 nm y todas las partículas en la población tienen un tamaño de partícula en el intervalo de aproximadamente 8 a aproximadamente 12 nm (es decir, dentro del 20 por ciento del tamaño medio de poro).In certain embodiments, TiO 2 precursor particles can be characterized in terms of pore size distribution. In certain embodiments, the particles can be viewed as monodisperse in terms of pore size, which means that the population of particles is highly uniform in pore size. Certain populations of monodisperse particles useful in the present invention may be characterized as consisting of particles having a pore size within 20 percent of the mean intraparticle pore size (or interparticle pore size) for the population of particles, or within the 15 percent, or within 10 percent (ie, all particles in the population have a pore size within the given percentage range around the mean pore size). In an exemplary embodiment, the average intraparticle pore size is about 10 nm and all particles in the population have a particle size in the range of about 8 to about 12 nm (i.e., within 20 percent of the median size). of pore).
Las partículas precursoras de TiO2 adecuadas que pueden usarse en la presente invención están disponibles comercialmente de Cristal Global, como los productos disponibles con los nombres comerciales Tiona® ATI y CristalACTiV™. También se hace referencia a las partículas de TiO2 y los métodos de fabricación descritos en la Patente de Estados Unidos N° 4.012.338 de Urwin; Publicaciones de Patente de Estados Unidos N° 2005/0175525 de Fu et al.; 2009/0062111 de Fu et al.; y 2009/0324472 de Fu et al.Suitable TiO 2 precursor particles that can be used in the present invention are commercially available from Cristal Global, as the products available under the trade names Tiona® ATI and CristalACTiV™. Reference is also made to the TiO 2 particles and manufacturing methods described in US Patent No. 4,012,338 to Urwin; US Patent Publication No. 2005/0175525 to Fu et al.; 2009/0062111 by Fu et al.; and 2009/0324472 by Fu et al.
En una realización, las partículas precursoras de TiO2 se proporcionan como se describe en la Publicación de Patente de Estados Unidos N° 2013/0122298 de Fu et al. Como se describe de manera general en la misma, las nanopartículas de TiO2 pueden proporcionarse preparando primero una solución acuosa de una sal de titanio y un ácido orgánico, que funciona como un agente de control de la morfología. Las nanopartículas de TiO2 se forman hidrolizando térmicamente la solución de sal de titanio a una temperatura de alrededor de 100° C durante unas pocas horas. Las nanopartículas pueden separarse del licor madre y usarse como material precursor para la inserción de litio sin secar primero las partículas. Alternativamente, las partículas podrían secarse como se describe en la publicación mencionada anteriormente antes del paso de inserción de litio. El ejemplo 1 a continuación prepara nanopartículas de TiO2 de acuerdo con este proceso general.In one embodiment, the TiO 2 precursor particles are provided as described in US Patent Publication No. 2013/0122298 to Fu et al. As generally described therein, TiO 2 nanoparticles can be provided by first preparing an aqueous solution of a titanium salt and an organic acid, which functions as a morphology control agent. TiO 2 nanoparticles are formed by thermally hydrolyzing the titanium salt solution at a temperature of around 100°C for a few hours. The nanoparticles can be separated from the mother liquor and used as a precursor material for the lithium insert without first drying the particles. Alternatively, the particles could be dried as described in the aforementioned publication before the lithium insertion step. Example 1 below prepares TiO 2 nanoparticles according to this general process.
II. Nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litioII. Titanium dioxide nanoparticles with lithium insert
Las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio se forman a través de un proceso de tratamiento aplicado a las partículas precursoras de TiO2 descritas anteriormente. Como se usa en la presente, la referencia a partículas "con inserción de litio" o "intercaladas con litio" se refiere a partículas que tienen iones de litio insertados en la estructura cristalina de la partícula. En el proceso de la invención, el tamaño de partícula y la morfología de las partículas precursoras se mantienen ventajosamente, lo que significa que el proceso a través del cual se introduce el litio no afecta significativamente al tamaño y a la morfología de las partículas, proporcionando de este modo un mayor control sobre estas importantes características de las partículas. Una vez que se forman las partículas precursoras que tienen el tamaño y las características morfológicas deseadas, la presente invención permite la formación de partículas que contienen litio que esencialmente imitan a las partículas originales en términos de tamaño y forma.The lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles are formed through a treatment process applied to the TiO 2 precursor particles described above. As used herein, the reference to "lithium-inserted" or "lithium-intercalated" particles refers to particles having lithium ions inserted into the crystal structure of the particle. In the process of the invention, the particle size and morphology of the precursor particles are advantageously maintained, which means that the process through which lithium is introduced does not significantly affect the size and morphology of the particles, providing This gives you more control over these important particle characteristics. Once precursor particles having the desired size and morphological characteristics are formed, the present invention allows for the formation of lithium-containing particles that essentially mimic the original particles in terms of size and shape.
El proceso de inserción de litio implica el tratamiento hidrotérmico de las partículas de TiO2 en presencia de una solución acuosa de un compuesto de litio. El solvente acuoso es preferiblemente agua pura (por ejemplo, agua desionizada), aunque pueden usarse mezclas de agua como solvente predominante (por ejemplo, más del 50% del peso total del solvente, más típicamente más del 75% o más del 95%) con otros cosolventes polares como alcoholes sin apartarse de la invención. La cantidad de agua usada en la mezcla no está particularmente limitada, aunque es ventajoso usar suficiente agua para mantener el compuesto de litio en forma disuelta.The lithium embedding process involves the hydrothermal treatment of TiO 2 particles in the presence of an aqueous solution of a lithium compound. The aqueous solvent is preferably pure water (eg, deionized water), although mixtures of water may be used as the predominant solvent (eg, greater than 50% of the total weight of solvent, more typically greater than 75% or greater than 95%). with other polar cosolvents such as alcohols without departing from the invention. The amount of water used in the mixture is not particularly limited, although it is advantageous to use enough water to keep the lithium compound in dissolved form.
En la solución puede usarse cualquier compuesto de litio que sea generalmente soluble y disociable en agua. Los ejemplos de sales de litio incluyen hidróxido de litio, óxido de litio, cloruro de litio, carbonato de litio, acetato de litio, nitrato de litio y similares. Se prefieren compuestos de litio fuertemente alcalinos como hidróxido de litio. Los compuestos de litio menos alcalinos se usan típicamente en combinación con una base fuerte (por ejemplo, hidróxido de sodio o amoníaco) para elevar el pH de la solución. El pH de la mezcla de reacción es típicamente mayor de aproximadamente 9, como mayor de aproximadamente 10.Any lithium compound that is generally soluble and dissociable in water can be used in the solution. Examples of lithium salts include lithium hydroxide, lithium oxide, lithium chloride, lithium carbonate, lithium acetate, lithium nitrate, and the like. Strongly alkaline lithium compounds such as lithium hydroxide are preferred. Less alkaline lithium compounds are typically used in combination with a strong base (for example, sodium hydroxide or ammonia) to raise the pH of the solution. The pH of the reaction mixture is typically greater than about 9, at best greater than about 10.
La mezcla de la solución acuosa del compuesto de litio y las partículas precursoras de TiO2 se trata térmicamente a temperatura elevada en condiciones de proceso hidrotérmico. El paso de calentamiento se lleva a cabo en un recipiente a presión sellado (por ejemplo, un autoclave) de tal manera que el proceso pueda continuar a temperatura elevada y presión autógena. El equipo de autoclave ejemplar útil en la presente invención está disponible de Berghof/America Inc y Parr Instrument Co., y se describe en la Patente de Estados Unidos N° 4.882.128 de Hukvari et al. El funcionamiento de tales recipientes ejemplares será evidente para el experto en la técnica.The mixture of the aqueous solution of the lithium compound and the TiO 2 precursor particles is heat treated at elevated temperature under hydrothermal process conditions. The heating step is carried out carried out in a sealed pressure vessel (for example, an autoclave) in such a way that the process can continue at elevated temperature and autogenous pressure. Exemplary autoclave kit useful in the present invention is available from Berghof/America Inc and Parr Instrument Co., and is described in US Patent No. 4,882,128 to Hukvari et al. The operation of such exemplary containers will be apparent to one skilled in the art.
La temperatura aplicada a la mezcla durante el tratamiento hidrotérmico es de por lo menos aproximadamente 80° C, por lo menos aproximadamente 90° C, por lo menos aproximadamente 100° C, o por lo menos aproximadamente 110° C. La temperatura típicamente no excederá de aproximadamente 160° C, y en algunos casos no excederá de aproximadamente 150° C. Un intervalo de temperatura típico es de aproximadamente 80° C a aproximadamente 150° C (por ejemplo, de aproximadamente 100° C a aproximadamente 130° C). Como se ha indicado anteriormente, la presión durante el proceso hidrotérmico es autógena, lo que significa que la presión dentro de la cámara sellada no se controla externamente, sino que simplemente resulta del tratamiento térmico aplicado a la cámara. Un intervalo de presión típico para el proceso hidrotérmico es de aproximadamente 5 a aproximadamente 200 psig (1 psig = 0,108 MPa).The temperature applied to the mixture during hydrothermal treatment is at least about 80°C, at least about 90°C, at least about 100°C, or at least about 110°C. The temperature will typically not exceed from about 160°C, and in some cases will not exceed about 150°C. A typical temperature range is from about 80°C to about 150°C (eg, from about 100°C to about 130°C). As stated above, the pressure during the hydrothermal process is autogenous, which means that the pressure within the sealed chamber is not controlled externally, but simply results from the heat treatment applied to the chamber. A typical pressure range for the hydrothermal process is from about 5 to about 200 psig (1 psig = 0.108 MPa).
Un intervalo de presión más típico es de aproximadamente 30 a aproximadamente 120 psig. En ciertas realizaciones, la presión aplicada a la mezcla puede caracterizarse como por lo menos aproximadamente 20 psig, por lo menos aproximadamente 30 psig o por lo menos aproximadamente 40 psig. La presión elevada experimentada por la mezcla de reacción es importante para lograr los niveles deseados de carga de litio dentro de las partículas.A more typical pressure range is from about 30 to about 120 psig. In certain embodiments, the pressure applied to the mixture can be characterized as at least about 20 psig, at least about 30 psig, or at least about 40 psig. The elevated pressure experienced by the reaction mixture is important in achieving the desired levels of lithium charging within the particles.
La cantidad de tiempo en la que se aplica el tratamiento hidrotérmico a la mezcla es de por lo menos 3 horas. El período de tratamiento máximo no está particularmente limitado, aunque típicamente no es necesario un tratamiento más allá de aproximadamente 48 horas.The amount of time in which the hydrothermal treatment is applied to the mixture is at least 3 hours. The maximum treatment period is not particularly limited, although treatment beyond about 48 hours is typically not necessary.
La cantidad de compuesto de litio usado en la mezcla variará y depende en parte del nivel deseado de carga de litio dentro de las partículas. La cantidad de litio que puede insertarse en las partículas precursoras puede variar significativamente, con un intervalo típico siendo de aproximadamente el 1 a aproximadamente el 12 por ciento en peso de litio, en base al peso total de las partículas con inserción de litio. Un intervalo más típico de inserción de litio es de aproximadamente el 3% a aproximadamente el 8%. Si se desea calcinar las partículas con inserción de litio para formar LTO como se describe más detalladamente a continuación, la carga de litio de las partículas debe estar en el intervalo de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 7 por ciento en peso. La cantidad de compuesto de litio usada en la mezcla para lograr un nivel de carga de litio deseado es típicamente de aproximadamente el 2% a aproximadamente el 20% en peso de litio frente al peso de dióxido de titanio.The amount of lithium compound used in the mixture will vary and depends in part on the desired level of lithium loading within the particles. The amount of lithium that can be inserted into the precursor particles can vary significantly, with a typical range being from about 1 to about 12 weight percent lithium, based on the total weight of the lithium-inserted particles. A more typical range of lithium insertion is from about 3% to about 8%. If it is desired to calcinate the lithium-inserted particles to form LTO as described in more detail below, the lithium loading of the particles should be in the range of about 5 to about 7 weight percent. The amount of lithium compound used in the mixture to achieve a desired lithium charge level is typically from about 2% to about 20% by weight of lithium versus weight of titanium dioxide.
Como se ha indicado anteriormente, el proceso hidrotérmico utilizado para insertar litio en las partículas precursoras deja prácticamente intacto el tamaño y la morfología de las partículas originales. Por tanto, las partículas con inserción de litio pueden caracterizarse por tener esencialmente las mismas características de tamaño de partícula y morfología indicadas anteriormente con respecto a las partículas precursoras. Por ejemplo, las características del tamaño medio de partícula, la distribución del tamaño de partícula (por ejemplo, monodispersidad), el tamaño de poro intrapartícula y entre partículas, la distribución del tamaño de poro (por ejemplo, monodispersidad) y la forma de la partícula no cambiarán en gran medida por el proceso hidrotérmico. En ciertas realizaciones, cualquiera o todas las características indicadas anteriormente pueden verse como relativamente sin cambios, lo que significa uno o más del tamaño medio de partícula, la distribución del tamaño de partícula (por ejemplo, monodispersidad), tamaño de poro intrapartícula y entre partículas, distribución de tamaño de poro (por ejemplo, monodispersidad), y forma de partícula de las partículas con inserción de litio estará dentro de aproximadamente el 10 por ciento (por ejemplo, dentro de aproximadamente el 5% o dentro de aproximadamente el 2,5%) del valor de la misma característica de las partículas precursoras.As noted above, the hydrothermal process used to insert lithium into the precursor particles leaves the size and morphology of the original particles largely intact. Thus, the lithium-inserted particles can be characterized as having essentially the same particle size and morphology characteristics noted above with respect to the precursor particles. For example, the characteristics of the mean particle size, the particle size distribution (for example, monodispersity), the intraparticle and interparticle pore size, the pore size distribution (for example, monodispersity), and the shape of the particle. particle will not be greatly changed by the hydrothermal process. In certain embodiments, any or all of the characteristics listed above can be viewed as relatively unchanged, meaning one or more of the mean particle size, the particle size distribution (e.g., monodispersity), intraparticle and interparticle pore size. , pore size distribution (eg, monodispersity), and particle shape of the lithium-embedded particles will be within about 10 percent (eg, within about 5% or within about 2.5 %) of the value of the same characteristic of the precursor particles.
Las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio pueden caracterizarse por un patrón de difracción de rayos X (XRD) que es distinto de las nanopartículas precursoras de dióxido de titanio, lo que muestra claramente que el proceso de la invención da como resultado la difusión de litio en la estructura cristalina de TiO2. En una realización, las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio se caracterizan por un patrón de difracción XRD sustancialmente como se muestra en la FIG. 6. Como se muestra, las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio de la invención mostrarán típicamente un patrón de XRD que tiene picos en uno o más de los siguientes ángulos de difracción 2-theta: entre aproximadamente 39° y aproximadamente 40° (por ejemplo, a aproximadamente 39,5°), entre aproximadamente 45° y aproximadamente 47° (por ejemplo, a aproximadamente 46°), y a aproximadamente 81°.The lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles can be characterized by an X-ray diffraction (XRD) pattern that is distinct from the titanium dioxide precursor nanoparticles, clearly showing that the process of the invention results in diffusion. lithium in the crystalline structure of TiO 2 . In one embodiment, the lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles are characterized by an XRD diffraction pattern substantially as shown in FIG. 6. As shown, the lithium-embedded titanium dioxide nanoparticles of the invention will typically display an XRD pattern that has peaks at one or more of the following 2-theta diffraction angles: between about 39° and about 40° (eg, at about 39.5°), between about 45° and about 47° (eg, at about 46°), and at about 81°.
Un experto en la técnica comprenderá que los datos del patrón de difracción no deben interpretarse como absolutos y, por consiguiente, las nanopartículas de dióxido de titanio con inserción de litio de la invención no se limitan a partículas que tienen un patrón XRD idéntico al de la FIG. 6. Cualquier nanopartícula de dióxido de titanio con inserción de litio que tenga un patrón XRD sustancialmente igual al de la FIG. 6 estará dentro del alcance de la invención. Un experto en la técnica de la difracción de rayos X en polvo puede juzgar la identidad sustancial de los patrones de difracción de rayos X en polvo. En general, un error de medición de un ángulo de difracción en un difractograma de rayos X en polvo es de aproximadamente 2 theta = 0,5° o menos (más adecuadamente, aproximadamente 2 theta = 0,2° o menos) y tal grado de error de medición debe tomarse en cuenta al considerar el patrón de difracción de rayos X en polvo en la FIG. 6 o los valores pico proporcionados anteriormente. En otras palabras, los picos de la FIG. 6 y los valores pico dados anteriormente pueden verse, en ciertas realizaciones, como /- 0,5° o /- 0,2°. Consultar Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization, Pecharsky y Zavalij, Kluwer Academic Publishers, 2003.One skilled in the art will understand that the diffraction pattern data should not be interpreted as absolute and, therefore, the lithium-inserted titanium dioxide nanoparticles of the invention are not limited to particles having an identical XRD pattern to that of the diffraction pattern. FIG. 6. Any lithium-embedded titanium dioxide nanoparticle having an XRD pattern substantially the same as that of FIG. 6 will be within the scope of the invention. One skilled in the X-ray powder diffraction art can judge the substantial identity of the X-ray powder diffraction patterns. In general, a measurement error of a diffraction angle in an X-ray powder diffractogram is approximately 2 theta = 0.5° or less (more suitably, approximately 2 theta = 0.2° or less) and such a degree This measurement error must be taken into account when considering the X-ray powder diffraction pattern in FIG. 6 or the peak values given above. In other words, the peaks of FIG. 6 and the peak values given above can be seen, in certain embodiments, as /-0.5° or /-0.2°. See Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization, Pecharsky and Zavalij, Kluwer Academic Publishers, 2003.
III. Nanopartículas de titanato de litioIII. Lithium Titanate Nanoparticles
Aunque las nanopartículas intercaladas con litio preparadas de acuerdo con el proceso anterior pueden usarse sin modificaciones adicionales como material de electrodo, en el proceso reivindicado, las nanopartículas intercaladas con litio se procesan adicionalmente para formar partículas de titanato de litio (LTO). La conversión a LTO implica calcinar las nanopartículas intercaladas con litio a temperatura elevada, como una temperatura de aproximadamente 400° C a aproximadamente 800° C. En ciertas realizaciones, la temperatura de calcinación puede caracterizarse como menor de aproximadamente 650° C, menor de aproximadamente 600° C o menor de aproximadamente 550° C. Las condiciones de calcinación se aplican típicamente durante por lo menos 1 hora o por lo menos 2 horas (por ejemplo, de 2 a 8 horas). El período máximo de tratamiento no está particularmente limitado, aunque típicamente no es necesario un tratamiento más allá de aproximadamente 12 horas.Although the lithium-intercalated nanoparticles prepared according to the above process can be used without further modification as electrode material, in the claimed process, the lithium-intercalated nanoparticles are further processed to form lithium titanate (LTO) particles. Conversion to LTO involves calcining the lithium-intercalated nanoparticles at elevated temperature, such as a temperature from about 400°C to about 800°C. In certain embodiments, the calcination temperature can be characterized as less than about 650°C, less than about 600°C or less than about 550°C. Calcination conditions are typically applied for at least 1 hour or at least 2 hours (eg, 2 to 8 hours). The maximum treatment period is not particularly limited, although treatment beyond about 12 hours is typically not necessary.
El proceso de calcinación deja el tamaño de partícula y la morfología originales de las nanopartículas con inserción de litio en gran parte sin alterar, aunque las partículas tendrán una forma más cúbica de acuerdo con la estructura de espinela cúbica de LTO. Por tanto, las partículas de LTO pueden caracterizarse por tener esencialmente las mismas características de tamaño de partícula y morfología indicadas anteriormente con respecto a las partículas precursoras y con inserción de litio. Por ejemplo, las características del tamaño medio de partícula, la distribución del tamaño de partícula (por ejemplo, monodispersidad), el tamaño de poro intrapartícula y entre partículas y la distribución del tamaño de poro (por ejemplo, monodispersidad) no cambiarán en gran medida por el proceso de calcinación. En ciertas realizaciones, cualquiera o todas las características mencionadas anteriormente pueden verse como relativamente sin cambios, lo que significa que una o más del tamaño medio de partícula, distribución del tamaño de partícula (por ejemplo, monodispersidad), tamaño de poro intrapartícula y entre partículas y distribución del tamaño de poro (por ejemplo, monodispersidad) de las partículas de LTO estará dentro de aproximadamente el 10 por ciento (por ejemplo, dentro de aproximadamente el 5% o dentro de aproximadamente el 2,5%) del valor de la misma característica de las partículas precursoras y/o las partículas con inserción de litio. IV. Aplicaciones de la bateríaThe calcination process leaves the original particle size and morphology of the lithium-embedded nanoparticles largely unchanged, although the particles will have a more cubic shape consistent with LTO's cubic spinel structure. Thus, the LTO particles can be characterized as having essentially the same particle size and morphology characteristics noted above with respect to the lithium insert and precursor particles. For example, the characteristics of mean particle size, particle size distribution (eg, monodispersity), intraparticle and interparticle pore size, and pore size distribution (eg, monodispersity) will not change greatly. by the calcination process. In certain embodiments, any or all of the aforementioned characteristics can be viewed as relatively unchanged, meaning that one or more of the mean particle size, particle size distribution (e.g., monodispersity), intraparticle and interparticle pore size and pore size distribution (eg, monodispersity) of the LTO particles will be within about 10 percent (eg, within about 5% or within about 2.5%) of the value thereof characteristic of the precursor particles and/or the particles with lithium insert. IV. battery apps
En términos generales, las nanopartículas con inserción de litio y las nanopartículas de LTO son conductores iónicos y, por consiguiente, pueden encontrar uso en cualquier aplicación que haga uso de materiales que tengan conductividad iónica. Las nanopartículas de LTO pueden usarse como materiales de electrodos en baterías de iones de litio. Por ejemplo, tales materiales pueden usarse como parte de una batería 100 como se representa esquemáticamente en la FIG. 8, aunque el dibujo es solamente ejemplar y no se pretende que limite el alcance de la invención a una configuración específica de batería de iones de litio. La batería 100 incluye un ánodo 102, un cátodo 104 y un separador 106 que contiene electrolito. Las baterías de iones de litio ejemplares que podrían adaptarse para su uso con la presente invención se exponen, por ejemplo, en las Publicaciones de Patente de Estados Unidos N°. 2013/0343983 de Ito et al. y 2013/0337302 a Inagaki et al.Generally speaking, lithium-embedded nanoparticles and LTO nanoparticles are ionic conductors and can therefore find use in any application that makes use of materials having ionic conductivity. LTO nanoparticles can be used as electrode materials in lithium-ion batteries. For example, such materials can be used as part of a battery 100 as schematically represented in FIG. 8, although the drawing is exemplary only and is not intended to limit the scope of the invention to a specific lithium ion battery configuration. Battery 100 includes an anode 102, a cathode 104 , and a separator 106 containing electrolyte. Exemplary lithium ion batteries that could be adapted for use with the present invention are set forth, for example, in United States Patent Publication Nos. 2013/0343983 by Ito et al. and 2013/0337302 to Inagaki et al.
En ciertas realizaciones, las nanopartículas de LTO de la invención se usan en el ánodo de una batería de iones de litio. El material del ánodo para la batería puede incluir además aditivos como agentes conductores para ajustar la conductividad del ánodo (por ejemplo, grafito, negro de humo o polvos metálicos) y aglutinantes o rellenos (por ejemplo, polisacáridos, resinas termoplásticas o polímeros elásticos). Los materiales usados en el cátodo pueden variar, y los ejemplos incluyen manganato de litio, cobaltato de litio, niquelato de litio, pentóxidos de vanadio y similares. El electrolito se compone típicamente de una sal de litio y un solvente. Los solventes ejemplares incluyen carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de butileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, ybutirolactona, formiato de metilo, acetato de metilo, tetrahidrofurano, dimetilsulfóxido, formamida, dioxolano y acetonitrilo. Las sales de litio ejemplares incluyen LiPF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, y LiBF4.In certain embodiments, the LTO nanoparticles of the invention are used in the anode of a lithium ion battery. The anode material for the battery can further include additives such as conductive agents to adjust the conductivity of the anode (eg, graphite, carbon black, or metal powders) and binders or fillers (eg, polysaccharides, thermoplastic resins, or elastic polymers). The materials used in the cathode can vary, and examples include lithium manganate, lithium cobaltate, lithium nickelate, vanadium pentoxides, and the like. The electrolyte is typically made up of a lithium salt and a solvent. Exemplary solvents include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, y-butyrolactone, methyl formate, methyl acetate, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, formamide, dioxolane, and acetonitrile. Exemplary lithium salts include LiPF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, and LiBF4.
Se observa que las nanopartículas de LTO de la invención también podrían usarse como material de matriz de cátodo en ciertas realizaciones de baterías, como baterías de litio-azufre (Li-S) donde el material de matriz de cátodo está intercalado con azufre.It is noted that the LTO nanoparticles of the invention could also be used as a cathode matrix material in certain battery embodiments, such as lithium-sulfur (Li-S) batteries where the cathode matrix material is intercalated with sulfur.
Los aspectos de la presente invención se ilustran más completamente mediante los siguientes ejemplos, que se exponen para ilustrar ciertos aspectos de la presente invención y no se interpretan como limitantes de la misma. Aspects of the present invention are more fully illustrated by the following examples, which are set forth to illustrate certain aspects of the present invention and are not construed as limiting thereof.
EJEMPLOSEXAMPLES
Ejemplo 1. Preparación de nanoesferas de TiO? con inserción de litioExample 1. Preparation of TiO? with lithium insert
En un reactor calentado equipado con un condensador de vidrio y un agitador superior se mezclaron 1,195 g de agua desionizada, 79 g de ácido clorhídrico (37% de Fisher Scientific), 7,9 g de monohidrato de ácido cítrico (Alfa Aesar) y 398 g de solución de oxicloruro de titanio. Mientras se agitaba constantemente, la mezcla se calentó a 75° C y se introdujo rápidamente una pequeña cantidad de semillas de anatasa TiO? (0,1% frente a TiO?; las semillas de anatasa fueron producidas por Cristal). La reacción se mantuvo a 75° C durante 2 horas. Durante este período, las partículas de TiO2 comienzan a formarse a través de la hidrólisis del oxicloruro de titanio. Luego se aumentó la temperatura de reacción a 85° C y se mantuvo durante 3 horas a esa temperatura. La hidrólisis estaba esencialmente completa en esta etapa.In a heated reactor equipped with a glass condenser and overhead stirrer, 1.195 g deionized water, 79 g hydrochloric acid (37% Fisher Scientific), 7.9 g citric acid monohydrate (Alfa Aesar) and 398 g were mixed. g of titanium oxychloride solution. While constantly stirring, the mixture was heated to 75°C and a small amount of anatase TiO? (0.1% vs. TiO[gamma]; anatase seeds were produced by Cristal). The reaction was held at 75°C for 2 hours. During this period, TiO 2 particles begin to form through the hydrolysis of titanium oxychloride. Then the reaction temperature was increased to 85°C and it was maintained for 3 hours at that temperature. The hydrolysis was essentially complete at this stage.
La mezcla de la reacción se enfrió a temperatura ambiente y se detuvo la agitación. La lechada de TiO2 formada se dejó sedimentar durante aproximadamente 3 horas. Después de eso, con esencialmente todas las partículas depositadas en el fondo del recipiente, se eliminó el licor madre y se añadió aproximadamente la misma cantidad de agua desionizada. Se tomó una pequeña muestra y se examinó bajo SEM. La imagen SEM muestra que las partículas de TiO2 son uniformes, generalmente de forma esférica y de aproximadamente 40 nm de tamaño, esencialmente las mismas que se muestran en la FIG. 1. Una pequeña muestra secada en un horno se midió por XRD, lo que mostró que el Ti 2 estaba en forma de anatasa (como se muestra en la FIG. 5). Las mediciones de XRD pueden realizarse con un difractómetro PANalytical X'Pert Pro usando radiación Cu K a 1 de Á = 1,540 Á. El difractómetro estaba equipado con un tubo de rayos X de Cu sellado y un detector sensible a la posición X-Celerator. Las condiciones del instrumento se establecieron en 45 kV, 40 mA, 0,016°20/paso y 50 segundos de tiempo de permanencia.The reaction mixture was cooled to room temperature and stirring was stopped. The TiO 2 slurry formed was allowed to settle for approximately 3 hours. Thereafter, with essentially all of the particles settled to the bottom of the vessel, the mother liquor was removed and approximately the same amount of deionized water was added. A small sample was taken and examined under SEM. The SEM image shows that the TiO 2 particles are uniform, generally spherical in shape and approximately 40 nm in size, essentially the same as those shown in FIG. 1. A small oven-dried sample was measured by XRD, which showed that the Ti 2 was in the anatase form (as shown in FIG. 5). XRD measurements can be made with a PANalytical X'Pert Pro diffractometer using Cu K a 1 radiation of Á = 1.540 Á. The diffractometer was equipped with a sealed Cu X-ray tube and an X-Celerator position sensitive detector. Instrument conditions were set at 45 kV, 40 mA, 0.016°20/step, and 50 second dwell time.
Después de la toma de muestras, se reinició la agitación y se añadieron en pequeñas porciones 78,8 g de monohidrato de hidróxido de litio (Alfa Aesar). Después de agitar durante aproximadamente 15 minutos, la mezcla se transfirió a un reactor hidrotérmico (Parr Instruments) y se trató a 120° C bajo presión autógena durante 24 horas. Luego, la reacción se enfrió a temperatura ambiente y el producto se separó por filtración y se lavó con agua desionizada varias veces hasta que la conductividad del filtrado fue inferior a 500 gS/cm. La muestra lavada se secó en un horno a 90° C. La medición SEM mostró que las partículas todavía estaban en forma de nanoesferas bastante uniformes (como se muestra en la FIG. 2). En comparación con la imagen SEM (por ejemplo, FIG. 1) de las nanopartículas precursoras usadas para la inserción, puede concluirse que las nanopartículas se mantienen intactas después de la inserción y que la morfología de las partículas no ha cambiado durante el tratamiento. La medición XRD mostró que el TiO2 todavía estaba en forma de anatasa, aunque con la mayoría de los picos significativamente cambiados (como se muestra en la FIG. 6). El análisis de litio, usando el análisis ICP-OES (plasma acoplado inductivamente-espectrometría de emisión óptica) (Thermo Scientific iCAP 6000), mostró que el producto contenía aproximadamente un 6% en peso de Li, lo que evidenció que el cambio máximo de XRD fue provocado por la inserción de litio en las redes cristalinas de TiO2. La muestra de TiO2 con inserción de litio se disolvió primero en una solución de ácido fluorhídrico antes de la medición. Las soluciones estándar de litio se adquirieron de High-Purity Standards, Inc.After sampling, stirring was restarted and 78.8 g lithium hydroxide monohydrate (Alfa Aesar) was added in small portions. After stirring for approximately 15 minutes, the mixture was transferred to a hydrothermal reactor (Parr Instruments) and treated at 120°C under autogenous pressure for 24 hours. The reaction was then cooled to room temperature and the product was filtered off and washed with deionized water several times until the conductivity of the filtrate was less than 500 gS/cm. The washed sample was dried in an oven at 90°C. SEM measurement showed that the particles were still in the form of fairly uniform nanospheres (as shown in FIG. 2). In comparison with the SEM image (eg, FIG. 1) of the precursor nanoparticles used for insertion, it can be concluded that the nanoparticles remain intact after insertion and that the morphology of the particles has not changed during the treatment. The XRD measurement showed that the TiO 2 was still in the anatase form, although with most of the peaks significantly shifted (as shown in FIG. 6). Lithium analysis, using ICP-OES (inductively coupled plasma-optical emission spectrometry) analysis (Thermo Scientific iCAP 6000), showed that the product contained approximately 6 wt% Li, evidencing that the maximum change in XRD was caused by the insertion of lithium into the TiO 2 crystal lattices. The TiO 2 sample with lithium insert was first dissolved in a hydrofluoric acid solution before measurement. Lithium standard solutions were purchased from High-Purity Standards, Inc.
Ejemplo 2. Conversión de TiO2 con inserción de litio a espinela de titanato de litio (LTO)Example 2. Conversion of TiO 2 with lithium insertion to lithium titanate (LTO) spinel
Las nanoesferas de TiO2 con inserción de litio del Ejemplo 1 se trataron en un horno a 600° C durante 6 horas. La imagen SEM mostró que las nanopartículas después de la conversión todavía eran en gran parte esféricas y las características morfológicas originales se mantuvieron en gran medida (como se muestra en la FIG. 3). Las imágenes TEM de gran aumento mostraron que las nanopartículas tenían forma de cubo de acuerdo con la estructura de espinela cúbica (como se muestra en las FIGS. 4A y 4B). El patrón XRD de las nanopartículas (mostrado en la FIG. 7) coincidió completamente con el titanato de litio de espinela cúbica estándar (Li4TisO12).The lithium-embedded TiO 2 nanospheres of Example 1 were treated in an oven at 600°C for 6 hours. The SEM image showed that the nanoparticles after conversion were still largely spherical and the original morphological characteristics were largely maintained (as shown in FIG. 3). High magnification TEM images showed that the nanoparticles were cube-shaped in accordance with the cubic spinel structure (as shown in FIGS. 4A and 4B). The XRD pattern of the nanoparticles (shown in FIG. 7) fully matched that of the standard cubic spinel lithium titanate (Li4TisO12).
A Un experto en la técnica a la que se refiere esta invención se le ocurrirán muchas modificaciones y otras realizaciones de la invención que tiene el beneficio de las enseñanzas presentadas en las descripciones anteriores y los dibujos asociados. Por lo tanto, debe entenderse que la invención no debe limitarse a las realizaciones específicas divulgadas y se pretende que las modificaciones y otras realizaciones estén incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Many modifications and other embodiments of the invention will occur to one skilled in the art to which this invention relates having the benefit of the teachings presented in the above descriptions and associated drawings. Therefore, it is to be understood that the invention is not to be limited to the specific embodiments disclosed and modifications and other embodiments are intended to be included within the scope of the appended claims.
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